坚硬顶板爆破切顶巷道支护稳定性研究

2022-04-02李强强

山西冶金 2022年1期

李强强

（山西楼俊集团泰业煤业有限公司，山西吕梁 033000）

我国能源储量十分丰富，但分布较为不均，整体处于富煤、少油、贫气的格局。据统计在我国一次能源消耗占比中，煤炭资源占据绝对位置。当前我国提出可持续发展战略，大力发展清洁能源如风能、水能、太阳能等，但考虑到我国清洁能源仍处于发展阶段，且能源需求量及人口面积等问题严重，所以在未来很长一段时间，煤炭资源的领导地位不会发生改变。在我国矿井开采过程中，坚硬顶板问题一直制约着矿井的开采，坚硬顶板问题是指巷道顶板为坚硬岩层，使得其极难发生垮落，会形成大面积的悬顶[1，2]，大面积的悬顶一旦垮落形成大的冲击地压，威胁矿井的生产，同时大面积的悬顶会造成巷道变形及煤柱尺寸增大等问题，降低矿井的生产效益，所以对坚硬顶板进行治理是矿井重要的工作[3，4]。目前对坚硬顶板的治理主要是爆破切顶卸压、水力切顶卸压等，本文以泰业煤业为研究背景，对爆破切顶卸压进行研究，利用数值模拟结合现场实践验证了爆破切顶卸压的可行性，为矿井坚硬顶板治理提供一定的参考与借鉴。

1 背景及数值模拟研究

山西楼俊集团泰业煤业有限公司位于临县县城南的三交镇田家山村一带，距临县县城直距约25.5 km。地理坐标为东经110°56′07″—110°59′17″，北纬37°41′18″—37°43′36″。井田西南与临县胜利煤焦有限责任公司相邻，东北与山西东江煤业集团有限公司相邻，南与西山亚辰煤业有限公司、山西煤炭运销集团锦瑞煤业有限公司相邻。目前主采5 号煤，煤层厚度2.75～3.97 m，平均3.30 m，一般含1 层夹矸，局部含2 层夹矸或不含夹矸，夹矸厚度为0.08～0.22 m，岩性为泥岩或炭质泥岩。煤层稳定，全区可采。顶板岩性为石灰岩，局部为粉砂岩；底板岩性为砂质泥岩、细砂岩、泥岩及粉砂岩。

首先对不同钻孔深度下巷道煤柱及围岩变形情况进行分析，确定不同切顶高度下巷道围岩变形情况，从而得出最佳的切顶高度。利用数值模拟软件UDEC 进行研究，确立模型为二维模型，尺寸为316 m×53 m，模型选定摩尔-库伦模型为本构模型，在上端部施加垂直均布荷载12 MPa，固定模型左右及下部的位移。对模型进行网格划分，网格划分直接影响模拟的计算时间及模拟计算精度，所以在充分考虑后适当粗化分网格单元，尽量加快模拟计算的速度，网格划分后对模型的物理参数进行设定，完成模型的建立。

对切顶高度对巷道围岩变形情况进行研究，选定切顶卸压高度为6 m、8 m、10 m 和12 m 时研究巷道围岩的变形情况，分析不同切顶高度下围岩的变形情况，从而给出最佳的切顶卸压高度。不同切顶高度下巷道围岩变形曲线如图1 所示。

图1 不同切顶高度下巷道围岩变形曲线

从图1 可以看出，随着切顶高度的增加，巷道顶板的下沉量及底板变形量都呈现快速减小的趋势。当巷道切顶高度为4 m 时，此时巷道的顶板及底板变形量分别为410 mm 和272 mm，而当切顶高度为16 m时，此时的巷道顶板及底板变形量分别为274 mm 和216 mm，巷道左右帮的变形量随着切顶高度的增大呈现不同的趋势，右帮呈现先增大后减小再增大的趋势，而右帮变形量呈现逐步降低的趋势，在切顶高度为12 m 时，此时的巷道左右帮移近量达到最小值，最小值为452 mm，所以综合分析后确定最佳的切顶高度为12 m，此时的巷道两帮移近量为452 mm，而顶板底板移近量为544 mm。

2 工业化试验

对切顶卸压技术进行工业化实践，首先进行钻孔布置，钻孔与回采帮的距离设定为200 mm，角度为30°（与竖直方向夹角），钻孔深度为12 m，钻孔的直径为60 mm，钻孔的布置间距为600 mm。炸药选用矿用三级乳化炸药，炸药参数为Φ32 mm×200 mm，完成装药后对钻孔进行封堵。

完成钻孔布置后对切顶效果进行监测，在轨道顺槽内施工窥视缝，监测巷道围岩的变形情况。在顺槽内50 m 位置布置一个测站，在测站内分别布置顶板离层监测仪，巷道表面位移监测仪，用于监测巷道顶底板及巷道两帮的变形情况。同时利用钻孔窥视仪对钻孔效果进窥视，用于确定钻孔效果，窥视仪实物图如2 所示。

图2 窥视仪实物图

对顶板进行支护，锚杆选用Φ22 mm×2 400 mm的高强度无纵肋左旋螺纹锚杆，锚杆强度为HRB335。锚杆间排距设定为900 mm×900 mm，每排6 根，在巷道左右肩部位锚杆与垂线呈15°布置，剩余锚杆全部垂直布置。锚杆采用高强度弧形托盘支撑，托盘的规格为150 mm×150 mm×10 mm，托盘拱高36 mm，配备高强度锚杆螺母，同生死配有尼龙垫圈和调心球垫。锚杆采用MSK2335 和MSZ2360 锚固剂进行锚固，预紧力大于300 N·m。锚索采用Φ18.9 mm×8 300 mm 的钢绞线，间排距为1 600 mm×1 800 mm。

网片采用10 号钢丝网进行支护，网片规格为5 600 mm×1 000 mm，网孔为40 mm×40 mm，顶网间采用16 号铁丝进行三扣连接，扭结数不得少于3圈。梯子梁采用Φ16 mm 圆钢。具体支护断面图如3所示。

图3 支护断面图（mm）

对切顶卸压后的巷道围岩变形情况进行监测，将测站监测数据进行绘制，给出巷道两帮及巷道顶底板变形曲线，巷道顶底板及巷道两帮移近量曲线如图4 所示。

图4 巷道顶底板及巷道两帮移近量曲线

从图4 可以看出，经过切顶卸压后，巷道顶底板及两帮的移近量均呈现随工作面距离增加逐步增大的趋势。在滞后工作面80 m 时，此时的巷道顶板及底板移近量变化趋势较大，巷道顶板及底板的变形大部分来源此阶段，而在滞后工作面80 m 以后，巷道围岩的变形随逐步增大，但增大的趋势呈现逐步减弱。巷道顶板及底板最大变形量分别为321 mm和62 mm，顶底板移近量为383 mm。两帮移近量的变化趋势与顶底板变化趋势类似，两帮移近量的最大值为116 mm。综合来看巷道经过切顶卸压后巷道围岩的变形情况有了明显的改观，巷道围岩的稳定性有了较大的提升，整个切顶卸压效果较为成功。